超細(xì)粉料不僅是制備結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)，其本身也是一種具有特殊功能的材料，為精細(xì)陶瓷、電子元件、生物工程處理、新型打印材料、優(yōu)質(zhì)耐火材料以及與精細(xì)化工有關(guān)的材料等許多領(lǐng)域所必需。隨著超細(xì)粉體在現(xiàn)代工業(yè)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，粉體分級(jí)技術(shù)在粉體加工中的地位越來(lái)越重要。

 

1、分級(jí)的意義

在粉碎過(guò)程中，往往只有一部分粉體達(dá)到粒度要求，如不將已經(jīng)達(dá)到要求的產(chǎn)品及時(shí)分離出去，而與未達(dá)到粒度要求的產(chǎn)品一起再粉碎，則會(huì)造成能源浪費(fèi)和部分產(chǎn)品的過(guò)粉碎問(wèn)題。

此外，顆粒細(xì)化到一定程度后，出現(xiàn)粉碎與團(tuán)聚的現(xiàn)象，甚至因顆粒團(tuán)聚變大而使粉碎工藝惡化。為此，在超細(xì)粉體制備過(guò)程中要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)，一方面控制產(chǎn)品粒度處于所需的分布范圍，另一方面使混合物料中粒度已達(dá)到要求的產(chǎn)品及時(shí)分離出來(lái)，使粗粒返回再粉碎，以提高粉碎效率降低能耗。

隨著所需粉體細(xì)度的提高和產(chǎn)量的增加，分級(jí)技術(shù)的難度也越來(lái)越高，粉體分級(jí)問(wèn)題已成為制約粉體技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，是粉體技術(shù)中最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一。因此，對(duì)超細(xì)粉體分級(jí)技術(shù)與設(shè)備的研究十分必要。

 

2、分級(jí)的原理

廣義的分級(jí)是利用顆粒粒徑、密度、顏色、形狀、化學(xué)成分、磁性、放射性等特性的不同而把顆粒分為不同的幾個(gè)部分。狹義的分級(jí)是根據(jù)不同粒徑顆粒在介質(zhì)(通常采用空氣和水)中受到離心力、重力、慣性力等的作用，產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)不同粒徑顆粒的分級(jí)。

 

3、分級(jí)機(jī)的分類(lèi)

按所用介質(zhì)可分為干法分級(jí)(介質(zhì)為空氣)與濕法分級(jí)(介質(zhì)為水或其它液體)。干法分級(jí)的特點(diǎn)是用空氣作流體，成本較低，方便易行，但它有兩個(gè)不足，一是易造成空氣污染，二是分級(jí)的精度不高。濕法分級(jí)用液體作為分級(jí)介質(zhì)，存在較多的后處理問(wèn)題，即分級(jí)后的粉體需要脫水、干燥、分散、廢水處理等，但它有著分級(jí)精度高、無(wú)爆炸性粉塵等特點(diǎn)。

按是否具有運(yùn)動(dòng)部件可劃分為兩大類(lèi)：

(1)靜態(tài)分級(jí)機(jī)：分級(jí)機(jī)中無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，如重力分級(jí)機(jī)、慣性分級(jí)機(jī)、旋風(fēng)分離器、螺旋線式氣流分級(jí)機(jī)和射流分級(jí)機(jī)等。這類(lèi)分級(jí)機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)單，不需動(dòng)力，運(yùn)行成本低。操作及維護(hù)較方便，但分級(jí)精度不高，不適于精密分級(jí)。

(2)動(dòng)態(tài)分級(jí)機(jī)：分級(jí)機(jī)中具有運(yùn)動(dòng)部件，主要指各種渦輪式分級(jí)機(jī)。這類(lèi)分級(jí)機(jī)構(gòu)造復(fù)雜，需要?jiǎng)恿?，能耗較高，但分級(jí)精度較高，分級(jí)粒徑調(diào)節(jié)方便，只要調(diào)節(jié)葉輪旋轉(zhuǎn)速度就能改變分級(jí)機(jī)的切割粒徑，適于精密分級(jí)。

 

4、分級(jí)的關(guān)鍵問(wèn)題

對(duì)于任何分級(jí)方法而言，要想取得較好的分級(jí)效果，關(guān)鍵是如何提高分級(jí)物料的分散性和選擇合適的分級(jí)力場(chǎng)。

物料經(jīng)超細(xì)化后呈現(xiàn)與原物料不同的性質(zhì)，首先是比表面增大，表面能升高；其次表面原子或離子數(shù)的比例大大提高，使其表面活性增加，粒子之間引力增大或由于外來(lái)雜質(zhì)如水分的作用而易于聚集；超細(xì)粒子也易在粉碎過(guò)程中由于碰撞吸收或粉碎后由于靜電等作用力而聚集在大粒子上，無(wú)論在空氣中還是在液相中均易生成粒徑較大的二次顆粒，這使得對(duì)超細(xì)產(chǎn)品的分級(jí)比普通產(chǎn)品分級(jí)更加困難。

因此分級(jí)的首要任務(wù)是分散粒子，使其處于單分散狀態(tài)，從而提高粉體的流散性，即超細(xì)粉體的基礎(chǔ)在于粉體粒子的分散。可以說(shuō)，充分的分散可使分級(jí)過(guò)程事半功倍。

解決了粉體粒子的分散之后，另一個(gè)更大的難題是如何設(shè)計(jì)穩(wěn)定、可調(diào)節(jié)的力場(chǎng)。理想的分級(jí)力場(chǎng)應(yīng)該具有分級(jí)力強(qiáng)、流場(chǎng)穩(wěn)定及分級(jí)迅速等性質(zhì)。由于粉體粒子在不同的介質(zhì)、不同的力場(chǎng)中的行為不一樣，因此必須了解其物理特性、運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)高效合理的分級(jí)力場(chǎng)。目前，分級(jí)機(jī)使用的力場(chǎng)主要為重力場(chǎng)、慣性力場(chǎng)和離心立場(chǎng)。

 

5、典型的分級(jí)設(shè)備

（1）濕式分級(jí)機(jī)

超細(xì)粉體的濕法分級(jí)從目前市場(chǎng)情況看，主要分為重力式和離心式。

水力旋流器。水力旋流器的分級(jí)過(guò)程是：物料在內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生很大的離心力。在離心力和重力的作用下，較粗顆粒被拋向器壁，作螺旋向下運(yùn)動(dòng)，最后由底流口排出，較細(xì)顆粒及大部分水分形成旋流，沿中心向上升起，至溢流管排出。

常用的水力旋流器有三種，小直徑水力旋流器、水封式旋流器和超細(xì)水力旋分機(jī)。水力旋流器的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、價(jià)廉、占地面積小、處理量大；缺點(diǎn)是分級(jí)精度較低。

臥式螺旋離心分級(jí)機(jī)。待分級(jí)的懸浮液由中心加料管加入螺旋推料器的推進(jìn)倉(cāng)，加速后由螺旋上的進(jìn)料孔進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)。在離心力的作用下，進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的懸浮液很快分成兩層，較粗或較重的顆粒沉積在內(nèi)壁上形成沉渣層，而含較細(xì)或較輕顆粒的液相則形成內(nèi)環(huán)分離液層。分離液采用溢流方式或向心泵式排出，沉渣(固體顆粒)則被螺旋推料器推送到轉(zhuǎn)鼓的錐端，在此進(jìn)一步脫水后由出渣口甩出轉(zhuǎn)鼓，一般分級(jí)粒度為2～5μm。

（2）干式分級(jí)機(jī)

干法分級(jí)機(jī)大多是采用離心力場(chǎng)、慣性力場(chǎng)對(duì)粉體進(jìn)行分級(jí)，它們是目前發(fā)展較快的重要精細(xì)分級(jí)設(shè)備。以下是幾種有代表性的設(shè)備。

錐形離心氣流分級(jí)機(jī)。錐形離心氣流分級(jí)機(jī)在離心力的作用下，實(shí)現(xiàn)粗粉和細(xì)粉的分離。該設(shè)備成品粒度最細(xì)可達(dá)0.95μm左右，分級(jí)精度d75/d25可達(dá)到1.16。該設(shè)備沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)部件，其導(dǎo)流片角度可以在7～15°之間調(diào)整，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，分級(jí)效率高，運(yùn)行安全可靠。

MS(Micron Separator)葉輪分級(jí)機(jī)。待分級(jí)物料和一次氣流經(jīng)給料管、可調(diào)管進(jìn)入機(jī)內(nèi)，經(jīng)氣流分布錐而進(jìn)入分級(jí)區(qū)，軸帶動(dòng)分級(jí)葉輪旋轉(zhuǎn)，細(xì)粒級(jí)物料在分級(jí)區(qū)內(nèi)受分級(jí)輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力場(chǎng)和分級(jí)機(jī)后部引風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的向心力雙重作用下，因向心力大于離心力，隨氣體經(jīng)葉片之間的間隙向上通過(guò)細(xì)粒排出口排出。粗粒級(jí)物料因受離心力大，經(jīng)環(huán)形體從機(jī)體下部的粗粒排出口排出。

MSS超細(xì)分級(jí)機(jī)。該機(jī)是MS型機(jī)的改進(jìn)型。其特點(diǎn)在于葉輪段的圓柱形殼體壁上增加了切向氣流噴射孔，它的作用是從孔中向機(jī)內(nèi)噴射氣流，使葉輪在離心力作用下拋向筒壁的粗顆粒中所夾帶的細(xì)顆粒能從中徹底分離。

ATP型分級(jí)機(jī)。ATP型分級(jí)機(jī)是德國(guó)研制生產(chǎn)的一種分級(jí)機(jī)，為葉輪轉(zhuǎn)子式。該設(shè)備分級(jí)輪水平安裝在分級(jí)機(jī)頂部，與流化床氣流磨，輪碾機(jī)等聯(lián)合使用。同時(shí)，為了克服葉輪轉(zhuǎn)速太高而使生產(chǎn)能力下降問(wèn)題，可將多個(gè)小直徑分級(jí)葉輪并聯(lián)水平安裝于分級(jí)機(jī)頂部，以提高生產(chǎn)能力并確保獲得較細(xì)產(chǎn)品

慣性分級(jí)機(jī)。慣性分級(jí)機(jī)是利用顆粒運(yùn)動(dòng)由于其質(zhì)量不同，慣性力也不同，因而形成不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顆粒的分級(jí)。另一種慣性分級(jí)機(jī)——射流分級(jí)，是利用噴射對(duì)粉料產(chǎn)生的拋射作用，同時(shí)物料受到不同方向的氣流作用，導(dǎo)致顆粒的分級(jí)。研究發(fā)現(xiàn)采用慣性力場(chǎng)分級(jí)時(shí)，流場(chǎng)的干擾因素較多，不易控制。

KSF型新型超細(xì)分級(jí)機(jī)。該機(jī)為日本生產(chǎn)。分級(jí)轉(zhuǎn)子為葉輪型或籠型，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，其分級(jí)粒徑由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力與氣流向心力所決定。據(jù)報(bào)導(dǎo)，該機(jī)適用于金屬礦、非金屬礦、塑料、陶瓷等多種物料的分級(jí)，可獲得0.3μm的超細(xì)產(chǎn)品。

LHB型渦輪式超細(xì)分級(jí)機(jī)。這種分級(jí)機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速低(1 200～1 900r/m in)，分級(jí)細(xì)度d 97為5～30μm，具有分級(jí)精度及分級(jí)效率高，能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

DS型分級(jí)機(jī)。D S型分級(jí)機(jī)是一種無(wú)轉(zhuǎn)子的半自由渦式分級(jí)機(jī)，含有微細(xì)顆粒的兩相流，在負(fù)壓的作用下進(jìn)入分級(jí)機(jī)。經(jīng)上部筒體壁旋轉(zhuǎn)分離后，部分空氣和微粉通過(guò)插入管離開(kāi)分級(jí)機(jī)；剩余部分物料通過(guò)中心錐體進(jìn)入到分級(jí)區(qū)，在離心力的作用下被分成粗粉和細(xì)粉。二次空氣經(jīng)過(guò)可調(diào)整角度的葉片進(jìn)入分級(jí)室，以使顆粒充分分散，提高其分級(jí)效率。粗粉經(jīng)環(huán)形通道進(jìn)入卸料倉(cāng)，細(xì)粉從中心錐體下部排出機(jī)外。分級(jí)細(xì)度的調(diào)節(jié)也是通過(guò)調(diào)整中心錐體的高度和二次風(fēng)量來(lái)完成。DS型分級(jí)機(jī)的切割粒徑為1～300μm，處理量為10～4 000kg/h。

ACUCUT型分級(jí)機(jī)。該分級(jí)機(jī)由美國(guó)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，其結(jié)構(gòu)及原理如下：中間部分為分級(jí)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子外側(cè)是固定壁，上下蓋板將分級(jí)室密封。轉(zhuǎn)軸上段空心軸為細(xì)粉出口，下段實(shí)心軸由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子由上下轉(zhuǎn)盤(pán)和葉片構(gòu)成，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形成離心力場(chǎng)。同時(shí)在空心部分產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，使氣流隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并沿徑向流向空心軸部，由此構(gòu)成離心力場(chǎng)與壓力場(chǎng)共同作用的流體流動(dòng)。分級(jí)室內(nèi)顆粒受到流體夾帶的作用，若顆粒受到的徑向夾帶力大于離心力，則顆粒通過(guò)細(xì)粉出口排出，粗粉由切向出口排出。該機(jī)的特點(diǎn)是分級(jí)精度高，切割粒徑可小于1μm，分級(jí)細(xì)度僅靠調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速即可。

附壁交叉射流式分級(jí)機(jī)。附壁交叉射流式分級(jí)機(jī)亦稱(chēng)交叉彎管式氣流機(jī)。它利用高速射流的附壁效應(yīng)，同時(shí)將物料分成不同細(xì)度的3個(gè)等級(jí)。顆粒在壓縮空氣的夾帶下，由加料噴嘴進(jìn)入分級(jí)機(jī)，流動(dòng)中的顆粒軌跡由空氣阻力及顆粒慣性決定，通過(guò)附壁表面時(shí)，由于附壁效應(yīng)形成流動(dòng)偏向。每個(gè)顆粒因大小不同而慣性不同，小顆粒附壁效應(yīng)較強(qiáng)，貼著附壁塊表面流動(dòng)，而大顆粒因慣性大而被空氣夾帶得更遠(yuǎn)。顆粒將按大小不同形成一個(gè)扇面軌跡，在二次空氣流量和壓力的調(diào)節(jié)下，可從不同的角度上獲得多種產(chǎn)品。

多轉(zhuǎn)子微粉分級(jí)機(jī)。該分級(jí)機(jī)是由上部分級(jí)腔(由多個(gè)轉(zhuǎn)子構(gòu)成)和底部分散裝置所組成的大處理量分級(jí)機(jī)。原料在分級(jí)機(jī)的底部被流化分散，然后被上升氣流帶入分級(jí)區(qū)。細(xì)粉通過(guò)轉(zhuǎn)子葉片后在上部提出，進(jìn)入收集器。粗粉及團(tuán)聚顆粒在下落過(guò)程中，與切向?qū)氲亩螝饬飨嘤鲈俅畏稚⒑?，通過(guò)底部的出口閥卸出。該機(jī) 為高細(xì)度、大處理量的分級(jí)過(guò)程而設(shè)計(jì)。

有效碰撞分級(jí)器(Virtual Impactor)。它由上、下兩個(gè)耐磨材料制成的圓筒組成，筒內(nèi)有氣溶膠式的顆粒流，粒層內(nèi)外為干凈氣流，在進(jìn)入直圓筒處發(fā)生碰撞，使物料易于分散，小于分級(jí)粒度的粒子從細(xì)粒出口排出。其特點(diǎn)是分級(jí)迅速、排料方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用而易維修。

MC型微粉分級(jí)機(jī)。MC型微粉分級(jí)機(jī)(Micron Classification)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，靠?jī)上嗔餮仄鞅诘男D(zhuǎn)流動(dòng)所產(chǎn)生的離心力場(chǎng)進(jìn)行分級(jí)。其原理是夾帶分散顆粒的氣固兩相流在負(fù)壓的吸引下進(jìn)入上部的渦旋腔，在導(dǎo)向圓錐體的引導(dǎo)下以穩(wěn)定的濃度進(jìn)入分級(jí)室，在離心力的作用下被分離成粗細(xì)兩種顆粒。細(xì)粉通過(guò)分級(jí)錐體上部的中心通道，在由入口進(jìn)入的二次空氣夾帶下，從出口排出分級(jí)機(jī)；粗粉則沿著分級(jí)錐體落入粗粉室。該機(jī)的分級(jí)切割粒徑范圍在5～50μm之間，可通過(guò)改變導(dǎo)向錐體和分級(jí)錐體之間的縫隙、二次空氣量以及不同區(qū)域的壓力來(lái)調(diào)節(jié)，其處理能力為0.5～1000kg/h。

O-Sepa分級(jí)機(jī)。該類(lèi)分級(jí)機(jī)主體是一個(gè)渦殼形旋風(fēng)筒，內(nèi)裝有籠形轉(zhuǎn)子，分級(jí)機(jī)渦殼內(nèi)裝有一圈立式導(dǎo)流葉片。物料從頂部的兩個(gè)進(jìn)料口進(jìn)入撒料盤(pán)，轉(zhuǎn)動(dòng)的料盤(pán)將粉體拋向外圍的擋環(huán)，撞擊分散后改變方向落下，在轉(zhuǎn)籠與導(dǎo)流葉片之間的狹長(zhǎng)空間內(nèi)形成料幕。在導(dǎo)流葉片與轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)動(dòng)的綜合作用下使機(jī)內(nèi)氣體形成強(qiáng)烈的水平旋流，顆粒既有沿切線作直線運(yùn)動(dòng)的慣性，又受向心氣流的夾帶作用，粗顆粒慣性較大，與壁面碰撞后分離，細(xì)顆粒隨氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)籠，最終從中央風(fēng)管吸出捕集成產(chǎn)品。

 

6、分級(jí)技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

(1)加強(qiáng)理論研究，注意學(xué)科交叉、積極借鑒其他學(xué)科知識(shí)。

(2)注重研究超細(xì)粉體在各種介質(zhì)中的分散技術(shù)及相應(yīng)設(shè)備，研究超微細(xì)粉體的團(tuán)聚機(jī)理、探索消除團(tuán)聚的有效途徑。

(3)加強(qiáng)專(zhuān)用設(shè)備的研究，發(fā)展高效低耗、高精細(xì)和大處理量的分級(jí)技術(shù)和設(shè)備。

(4)在現(xiàn)有設(shè)備和工藝基礎(chǔ)上發(fā)展人工智能技術(shù)，根據(jù)原料特點(diǎn)和產(chǎn)品細(xì)度要求自動(dòng)優(yōu)化生產(chǎn)工藝配置和操作參數(shù)，達(dá)到高效、低耗、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

(5)提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，注重粉碎與分級(jí)的有機(jī)結(jié)合。

(6)進(jìn)一步完善設(shè)備的配套性，加強(qiáng)超細(xì)分級(jí)的在線測(cè)試、監(jiān)控及其相應(yīng)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的研究。